基于CO2激光的AgGaSe2晶體中3次諧波產(chǎn)生

饒志明，王新兵，肖賢波，盧彥兆

（1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢430073；2.江西中醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，南昌330004）

基于CO2激光的AgGaSe2晶體中3次諧波產(chǎn)生

饒志明1，2，王新兵1，肖賢波2，盧彥兆1

（1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢430073；2.江西中醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，南昌330004）

為了在AgGaSe2晶體中產(chǎn)生3次諧波，利用自行研制的1臺可調(diào)諧脈沖CO2激光器，在2次諧波中采用Ⅰ類匹配，并在3次諧波中采用Ⅱ類匹配的方法。實(shí)驗(yàn)中CO2激光輸出波長為9.6μm，在AgGaSe2晶體中得到了波長為4.8μm的2次諧波以及波長為3.2μm的3次諧波，其峰值功率分別為88kW和4kW，并測量了相位匹配允許角。結(jié)果表明，在該AgGaSe2晶體實(shí)驗(yàn)中能有效地輸出3次諧波，隨著CO2激光功率的增大，輸出2次諧波峰值功率和3次諧波峰值功率的級數(shù)都增加。

激光技術(shù)；3次諧波；相位匹配；CO2激光；AgGaSe2晶體

引 言

AgGaSe2晶體是廣泛應(yīng)用于中紅外頻率變換的單軸晶體。如果將CO2激光進(jìn)行3次諧波（thirdharmonicgeneration，THG），就可以簡便而有效地獲得波長范圍在3μm～3.6μm的中紅外可調(diào)諧激光。TAKAOKA等人［1］在AgGaSe2晶體中成功地獲得了3次諧波輸出，其在非臨界溫度相位匹配時(shí)用溫度控制AgGaSe2晶體，BHAR等人［2］利用兩塊AgGaSe2晶體在3.5μm獲得了3次諧波。在國內(nèi)，WU等人［3］在AgGaSe2晶體中獲得了連續(xù)和脈沖輸出的2次諧波激光，使用的是自己生長的晶體。2009年，LI等人利用9.3μm脈沖橫向激勵(lì)大氣壓（transverselyexcitedatmospheric，TEA）CO2激光通過AgGaSe2晶體2次諧波產(chǎn)生（second-harmonicgeneration，SHG）技術(shù)實(shí)現(xiàn)4.65μm中紅外波段激光輸出的實(shí)驗(yàn)［4］。近年來，武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室高能量激光脈沖團(tuán)隊(duì)利用CO2激光作為抽運(yùn)光，獲得了抽運(yùn)光的2次諧波到4次諧波及差頻波長激光，能夠?qū)⒓す獾牟ㄩL變換到2.3μm～5.4μm和72.3μm～2706μm的調(diào)諧范圍，實(shí)現(xiàn)覆蓋中紅外波段和太赫茲波段［5-10］。而關(guān)于AgGaSe2晶體中紅外的3次諧波，只有在本實(shí)驗(yàn)中得到實(shí)現(xiàn)。

AgGaSe2晶體屬于點(diǎn)群負(fù)單軸晶體，黃銅礦3元化合物，2階非線性系數(shù)d36（10.6μm）=39.5pm/V，透光范圍為0.71μm～19μm，是中紅外波段使用很廣泛的頻率變換非線性晶體。本文中介紹了利用AgGaSe2晶體產(chǎn)生CO2激光的3次諧波輸出實(shí)驗(yàn)，在波長為3.2μm時(shí)，3次諧波的峰值功率為4kW。

1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

圖1是利用兩塊AgGaSe2晶體在CO2激光器中產(chǎn)生3次諧波的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。抽運(yùn)光源是可以調(diào)諧的短脈沖單波長CO2激光器［11］。在該實(shí)驗(yàn)中，利用光柵把CO2激光器調(diào)諧到波長為9.6μm，工作重復(fù)頻率設(shè)置為1Hz。因?yàn)锳gGaSe2晶體雙折射較小，只能用Ⅱ類相位匹配（e+o→e），在該非線性晶體中產(chǎn)生CO2激光的3次諧波輸出。也就是說抽運(yùn)光、2次諧波光和3次諧波光分別為e光、o光和e光時(shí)，才能滿足AgGaSe2晶體中3次諧波的匹配。

Fig.1 Experimental setup for the third-harmonic generation in AgGaSe2crystals

該實(shí)驗(yàn)是由兩塊AgGaSe2晶體分為兩步來進(jìn)行3次諧波的產(chǎn)生。第1步是經(jīng)過ZnSe透鏡聚焦的9.6μm抽運(yùn)光在體積為5mm×5mm×10mm，Ⅰ類（θ=50°）匹配切割的AgGaSe2晶體中產(chǎn)生2次諧波激光輸出，此時(shí)聚焦點(diǎn)離AgGaSe2晶體不能很近，否則易導(dǎo)致AgGaSe2晶體受損傷。第2步是在第2塊體積為5mm×5mm×13mm，Ⅱ類eo-e匹配（θ= 55°）切割的AgGaSe2晶體中產(chǎn)生3次諧波激光。兩塊非線性晶體的前后兩面都鍍上對波長為9.6μm，4.8μm和3.2μm高透射的增透膜，并且都裝在能夠3維方向調(diào)整的平臺上。實(shí)驗(yàn)中使用焦熱電探測器（Analog Joulemeter Probe）測量2次諧波光和3次諧波光的脈沖能量值。測量所產(chǎn)生的2次諧波激光能量時(shí)，是用白寶石片過濾抽運(yùn)光。測量3次諧波激光能量時(shí)，是用焦距為150mm石英透鏡和厚度為4mm的石英片相組合而收集到焦熱電探測器。

2 3次諧波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

9.6μm抽運(yùn)光經(jīng)過聚焦后的光斑面積約為0.2cm2，其脈沖能量約為100mJ，實(shí)驗(yàn)中獲得了2次諧波的脈沖能量約為5.3mJ，能量轉(zhuǎn)換效率約為5.3％。此時(shí)抽運(yùn)光CO2激光峰值功率密度約為7.1MW/cm2，波長為4.8μm的2次諧波激光峰值功率約為88kW。圖2表示2次諧波輸出功率與CO2激光峰值功率密度關(guān)系。根據(jù)轉(zhuǎn)換效率公式，2次諧波功率與抽運(yùn)功率之間的關(guān)系是平方關(guān)系，可見實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線與理論比較接近。如果再加大CO2激光的功率密度，將導(dǎo)致AgGaSe2受損。

Fig.2 Relationship between peak output power of the second-harmonic and pump power intensity

3次諧波輸出功率隨CO2激光峰值功率密度變化的曲線如圖3所示，在抽運(yùn)光的脈沖能量約為100mJ時(shí)獲得的3次諧波激光單脈沖能量約為0.14mJ，能量轉(zhuǎn)換效率約為0.14％。抽運(yùn)光CO2激光峰值功率密度約為7.1MW/cm2，3次諧波激光峰值功率約為4kW。由圖3可知，抽運(yùn)光峰值功率密度約為3.7MW/cm2，在波長為3.2μm的3次諧波激光峰值功率約為1.2kW。可得實(shí)驗(yàn)中3次諧波功率的增大倍數(shù)約為抽運(yùn)功率增大倍數(shù)的2次方，而理論上根據(jù)功率轉(zhuǎn)換效率理論兩者的關(guān)系是3次方，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論有所差距是由于在3次諧波的實(shí)驗(yàn)中能量轉(zhuǎn)換效率很小、實(shí)驗(yàn)過程中存在的各種能量損失的原因?qū)е碌摹?/p>

Fig.3 Relationship between peak output power of the thind-harmonic and pump power intensity

圖4所示是3次諧波的Ⅱ類相位匹配允許角的調(diào)諧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，從圖中可知，AgGaSe2晶體中CO2激光的3次諧波的Ⅱ類相位匹配允許角約為1.8°± 0.2°，也就是說在匹配角的角度前后幾度的范圍內(nèi)都能輸出3次諧波激光。說明其調(diào)諧范圍較寬，相比于差頻中GaAs晶體0.1°左右的允許角寬很多［6］。

Fig.4 Relationshipbetweenphase-matchingacceptanceangleandnormalizedsignal

3 結(jié) 論

利用CO2激光在AgGaSe2晶體輸出的2次諧波激光和3次諧波激光，獲得的2次諧波激光峰值功率為88kW，3次諧波激光峰值功率為4kW，隨著CO2激光功率的增大，輸出2次諧波峰值功率和3次諧波峰值功率的級數(shù)都增加。

［1］TAKAOKAE，KATOK.90°phase-matchedthird-harmonicgenerationofCO2laserfrequenciesinAgGa1-xInxSe2［J］.Optics Letters，1999，24（13）：902-904.

［2］BHARG，KUMBHAKARP，SATYANARAYANAD，etal.ThirdharmonicgenerationofCO2laserradiationinAgGaSe2crystal［J］.Pramana，2000，55（3）：405-412.

［3］WUHX，ZHANGW，TAODJ，etal.Continuous-wavefrequencydoublingofatunableCO2laserinAgGaSe2［J］.ChineseJournalofQuantumElectronics，2004，21（4）：440-443（inChinese）.

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［5］LUYZh，WANGXB，ZHUXW，etal. TunablemiddleinfraredradiationgenerationinaGaSecrystal［J］.JournalofAppliedPhysics，2010，107（9）：93105.

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［11］LUYZh，WANGXB，DONGG，etal.Pulsecharacteristicsof adual-wavelengthtunableTEACO2laser［J］.LaserTechnology，2010，34（1）：88-90（inChinese）.

Third-harmonicgenerationinAgGaSe2crystalsbasedonCO2laser

RAOZhi-ming1，2，WANGXin-bing1，XIAOXian-bo2，LUYan-zhao1
（1.WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics，SchoolofOpticalandElectronicInformation，HuazhongUniversityof ScienceandTechnology，Wuhan430074，China；2.DepartmentofComputerScience，JiangxiUniversityofTraditional ChineseMedicine，Nanchang330004，China）

InordertogeneratethethirdharmonicinAgGaSe2crystals，ⅠandⅡphase-matchwereappliedforthe secondandthirdharmonicsofCO2laserrespectively.Intheexperiment，outputwavelengthofCO2laserwas9.6μm.The peakpowerofthesecond-harmonicat4.8μmwas88kWandthepeakpowerofthethird-harmonicat3.2μmwas4kW respectively.Thephase-matchingacceptanceanglewasmeasured.Theresultsshowthatthesecond-harmonicwaveandthe third-harmonicwaveareacquiredeffectivelyandpeakpowerofthesecond-harmonicwaveandthird-harmonicwaveincrease rapidlywiththeincreaseofinputpowerofCO2laser.

lasertechnique；third-harmonicgeneration；phasematching；CO2laser；AgGaSe2crystal

TN248.2+2

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.019

1001-3806（2013）04-0503-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11264019）

饒志明（1978-），男，博士，現(xiàn)主要從事激光技術(shù)的研究。

E-mail：raozm24＠163.com

2012-09-17；

2012-11-02